基于FLUENT自定义k-e湍流模型并初始化的方法与流程

基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法
技术领域
1.本发明涉及cfd两方程湍流模型领域，具体涉及一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法。


背景技术：

2.在cfd湍流模型领域，相比于雷诺应力模型、大涡模拟等模型，k
‑
e模型是目前应用最广泛的两方程湍流模型，它综合了精度、计算时间等各方面的因素。高雷诺k
‑
e模型，只对湍流充分发展的有效，在粘性底层，需要配合墙函数一起使用。在高雷诺流动中，用可实现k
‑
e模型对二维长方形截面柱绕流进行数值模拟，数据与文献吻合较好，表明该模型在二维长发体柱的扰流模拟中具有较好的仿真结果(王珊珊，董毓利，段进涛，王冬晔.高雷诺数下二维长方形截面柱绕流数值模拟[j].华侨大学学报(自然科学版)，2018，39(1)：24
‑
30)。而低雷诺数模型在高雷诺数模型基础上进行修正，考虑了壁面附近处湍流脉动的各向异性，分别在k和e方程中加入了源项。文献(聂欣，张玉洲，张童伟，李雷，徐江荣.6种低雷诺数k
‑
e模型在三维附壁剪切流中的数值模拟与对比分析[j].中国电机工程学报，2017，37(24)：7247
‑
7255)使用六种低雷诺数k
‑
e模型模拟了三维附壁剪切流，认为大部分低雷诺数k
‑
e模型相对于标准k
‑
e模型来说，在对三维壁面剪切流的模拟中，其计算准确性都有所改进。但上述研究都是基于fluent默认的k
‑
e湍流模型，不能进行修改。当需要研究其它模型的特性时，默认的k
‑
e模型则不能满足要求。为此需要提供一种自定义k
‑
e湍流模型的方法，以补充现有模型库，并为特殊需求提供便利。


技术实现要素：

[0003]
为解决上述的问题，本发明公开了一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法，包括以下步骤：
[0004]
一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法，包括以下步骤：
[0005]
s1、确定k
‑
e湍流模型的控制方程，并确定湍流模型输运方程组中标量和中间量的个数；
[0006]
s3、依据控制方程的构成，将湍流模型输运方程组拆分成标准四项：非稳态项+对流项＝扩散项+源项；
[0007]
s4、判断k方程的源项中是否包含求解标量，如果存在，则线性化时隐式定义；如果不存在，直接将其线性化。
[0008]
s5、确定扩散系数和通量的计算形式；
[0009]
s6、根据湍流模型特点定义初始化物理量；
[0010]
s7、将上诉内容编写为用户自定义函数并加载到fluent相应位置，设定计算案例并求解，直至计算收敛。
[0011]
优选的，所述步骤s1中k
‑
e湍流模型形式为：
[0012][0013][0014][0015]
式中k为湍动能，ε为湍流耗散率，ρ为密度，t为时间，x
i x
j
为笛卡尔坐标方向轴，u
i
为速度，μ为动力粘度，μ
t
为湍流粘度，g为湍动能的产生项，f1、f2、f
μ
为常数c1、c2、c
μ
的修正系数，σ
k
、σ
ε
为常数，d、e为修正项，其中，k、ε为求解标量，其余为中间变量。
[0016]
优选的，所述步骤s3中，湍动能k的源项为μ
t
g
‑
ρε
‑
d，湍流耗散率ε的源项为
[0017]
优选的，湍动能k的源项线性化为s
k
＝a
k
+b
k
k，其中a
k
＝μ
t
g
‑
d，b
k
＝
‑
2ρ2c
μ
f
μ
k/μ
t
；式中s
k
是湍动能k的源项，a
k
是线性化时的常数项，b
k
是线性化的一次项。
[0018]
湍流耗散率ε的源项线性化为s
ε
＝a
ε
+b
ε
ε，其中a
ε
＝e，b
ε
＝c1f1μ
t
g/k
‑
2ρc2f2ε/k。式中s
ε
是湍流耗散率ε的源项，a
ε
是线性化时的常数项，b
ε
是线性化的一次项。
[0019]
优选的，所述步骤s5中用switch case语句同时在一个define_diffusivity宏命令中指定两个扩散系数。
[0020]
优选的，湍动能k和湍流耗散率ε的源项中的扩散系数分别为用扩散系数宏命名同时指定两个扩散系数。
[0021]
优选的，所述初始化物理量包括：
[0022][0023]
其中u
+
、k
+
、ε
+
、y
+
为无量纲数，u为速度，y为网格中心到壁面的距离，ν为运动粘度，τ
w
为壁面摩擦力，f为摩擦系数，u
bulck
为进口平均速度，根据u
+
、k
+
、ε
+
与y
+
的关系和摩擦系数计算出u、k、ε的初场。
[0024]
优选的，所述步骤s7中，在枚举体中定义用户自定义标量和用户自定义内存的名称和个数，中间变量f
μ
，f1，f2编写为返回值是整型的函数。
[0025]
优选的，为k方程和ε编写用户自定义函数，在枚举体中定义用户自定义标量(uds)和用户自定义内存(udm)的名称和个数，中间变量f
μ
，f1，f2编写为返回值是整型的函数。另外根据需求选择其它的宏命令。
[0026]
优选的，编译用户自定义函数，把各个宏命令加载到fluent相应位置，在标量和内存中设置对应的个数；加载案例文件，在粘性面板中选择标准k
‑
e模型，标准墙函数；把各类宏命令挂载到对应位置；在控制面板中调整用户自定义标量的松弛因子为0.6；关闭湍流模型方程，只计算流动和用户自定义标量方程。
[0027]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028]
(1)在源项线性化时，把d项和e项处理为常数，并隐式定义epsilon，增加了两输运
方程的耦合性；
[0029]
(2)根据k
‑
e湍流模型的构造，可根据自身特点将k
‑
e模型植入到fluent中。另外把圆管湍流流动中无量纲物理量的分布作为不同几何模型计算的初始值，有利于加速计算过程的收敛；
[0030]
(3)对构建其它标量输运方程有重要借鉴意义。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明实施例所涉及的一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法的流程图；
[0033]
图2是发明实施例所涉及的自定义初始化后的速度分布云图；
[0034]
图3是本发明实施例所涉及的均匀初始化和自定义初始化某一点速度收敛曲线对比图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
实施例1：
[0037]
一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法，包括以下步骤：
[0038]
s1、确定k
‑
e湍流模型控制方程的形式，并定义湍流模型输运方程组中标量和中间量的个数；k
‑
e湍流模型控制方程的形式为：
[0039][0040][0041][0042]
式中k为湍动能，ε为湍流耗散率，ρ为密度，t为时间，x
i x
j
为笛卡尔坐标方向轴，u
i
为速度，μ为动力粘度，μ
t
为湍流粘度，g为湍动能的产生项，f1、f2、f
μ
为常数c1、c2、c
μ
的修正系数，σ
k
、σ
ε
为常数，d、e为修正项，其中，k、ε为求解标量，其余为中间变量。
[0043]
s3、依据控制方程的构成，将湍流模型输运方程组拆分成标准四项：非稳态项+对流项＝扩散项+源项，其中，湍动能k的源项为μ
t
g
‑
ρε
‑
d，湍流耗散率ε的源项为
[0044]
s4、判断k方程的源项中是否包含求解标量e，如果存在，则线性化时隐式定义e；如果不存在，直接将其线性化；
[0045]
作为一种优选，湍动能k的源项线性化为s
k
＝a
k
+b
k
k，其中a
k
＝μ
t
g
‑
d，b
k
＝
‑
2ρ2c
μ
f
μ
k/μ
t
，式中s
k
是k方程的源项，a
k
是线性化时的常数项，b
k
是线性化的一次项；湍流耗散率ε的源项线性化为s
ε
＝a
ε
+b
ε
ε，其中a
ε
＝e，b
ε
＝c1f1μ
t
g/k
‑
2ρc2f2ε/k，式中s
ε
是ε方程的源项，a
ε
是线性化时的常数项，b
ε
是线性化的一次项。
[0046]
s5、确定扩散系数和通量的计算形式：用switch case语句同时在一个define_diffusivity宏命令中指定两个扩散系数。
[0047]
s6、根据湍流模型特点定义初始化物理量；所述初始化物理量包括：
[0048][0049]
其中u
+
、k
+
、ε
+
、y
+
为无量纲数，u为速度，y为网格中心到壁面的距离，ν为运动粘度，τ
w
为壁面摩擦力，f为摩擦系数，u
bulck
为进口平均速度，根据u
+
、k
+
、ε
+
与y
+
的关系和摩擦系数f的经验公式，计算出u、k、ε的初场。
[0050]
s7、编写并加载用户自定义函数：在枚举体中定义用户自定义标量(uds)和用户自定义内存(udm)的名称和个数，把中间变量f
μ
、f1、f2编写为返回值是整型的函数，将步骤s1～s6的内容编写为udf并编译到fluent中。另外根据需求选择其它的宏命令。
[0051]
s8、设定计算案例并求解：把各个宏命令加载到fluent相应位置，在标量和内存中设置对应的个数；加载案例文件，在粘性面板中选择标准k
‑
e模型，标准墙函数；把各类宏命令挂载到对应位置；在控制面板中调整用户自定义标量的松弛因子为0.6；关闭默认湍流模型方程，只计算流动和k－e湍流模型方程。
[0052]
s9、如有需要重复上述步骤，直至计算收敛。
[0053]
实施例2：
[0054]
一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0055]
s1、确定k
‑
e湍流模型方程，如下：
[0056][0057][0058][0059]
式中k为湍动能，ε为湍动能，ρ为密度，u为速度，u
i
为动力粘度，μ
t
为湍流粘度，g为湍动能的产生项，f1、f2、f
μ
为常数c1、c2、c
μ
的修正系数，σ
k
、σ
ε
为常数，d、e为修正项。具体表达式为c1＝1.35，c2＝1.8，c
μ
＝0.09，σ
k
＝1.0，σ
ε
＝1.3，f1＝1.0，
f
μ
＝1
‑
exp(
‑
0.002re
t
)，)，式中，re
t
是湍流雷诺数，y是网格中心到壁面的距离。
[0060]
s2、确定k
‑
e湍流模型中要求解的标量，分别是k和ε，其余为中间变量。
[0061]
s3、将输运方程拆分成标准形式，非稳态项+对流项＝扩散项+源项。湍动能k的源项为μ
t
g
‑
ρε
‑
d，湍流耗散率ε的源项为
[0062]
s4、源项线性化；k方程的源项线性化为s
k
＝a
k
+b
k
k，其中a
k
＝μ
t
g
‑
d，b
k
＝
‑
2ρ2c
μ
f
μ
k/μ
t
。式中s
k
是k方程的源项，a
k
是线性化时的常数项，b
k
是线性化的一次项。ε方程的源项线性化为s
ε
＝a
ε
+b
ε
ε，其中a
ε
＝e，b
ε
＝c1f1μ
t
g/k
‑
2ρc2f2ε/k。式中s
ε
是ε方程的源项，a
ε
是线性化时的常数项，b
ε
是线性化的一次项。
[0063]
s5、k和ε输运方程中的扩散系数分别为用一个udf宏名利同时指定两个扩散系数。
[0064]
s6、对流项根据质量流率计算，不需要编写udf。
[0065]
s7、以圆管湍流流动中典型物理量的分布作为计算的初始值，在粘性底层和对数层，分别有
[0066]
y
+
＜5时，u
+
＝y
+
；k
+
＝0.1y
+2
；ε
+
＝0.2；
[0067]
y
+
＞30时，
[0068]
f＝0.079re
‑
0.25
[0069][0070]
式中u
+
、k
+
、ε
+
、y
+
为无量纲数，u为速度，y为网格中心到壁面的距离，ν为运动粘度，τ
w
为壁面摩擦力，f为摩擦系数，u
bulck
为进口平均速度。
[0071]
s8、编写用户自定义函数。首先在枚举体中定义用户自定义标量k、ε和用户自定义内存re
t
、μ
t
。依据表达式，把f1、f2、f
μ
编写为返回值是整型的函数。编写扩散项和源项的宏命令，湍流粘性系数宏命令下直接返回μ
t
。最后每次计算迭代后都必须使用调整宏命令更新枚举体中的变量。
[0072]
s9、导入案例文件并计算。首先以编译的方式加载用户自定义函数到fluent中，在标量中设置个数为2，在内存中设置个数2。然后加载案例文件，在粘性面板中选择标准k
‑
e模型，标准墙函数。把各类宏命令挂载到对应位置，并在控制面板中调整用户自定义标量的松弛因子为0.6。关闭默认湍流模型方程，只计算流动和k－e湍流模型方程。
[0073]
实施例3：
[0074]
一种基于fluent自定义k
‑
e湍流模型并初始化的方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0075]
s1、以一个具体模型为例，通用方程如下：
[0076][0077][0078][0079]
式中k为湍动能，ε为湍流耗散率，ρ为密度，t为时间，x
i x
j
为笛卡尔坐标方向轴，u
i
为速度，μ为动力粘度，μ
t
为湍流粘度，g为湍动能的产生项，f1、f2、f
μ
为常数c1、c2、c
μ
的修正系数，σ
k
、σ
ε
为常数，d、e为修正项。具体表达式为c1＝1.42，c2＝2，c
μ
＝0.09，σ
k
＝0.9，σ
ε
＝1.4，f1＝1.0，f
μ
＝[1
‑
exp(
‑
0.02re
y
)]2(1+20.5/re
t
)，式中，re
t
是湍流雷诺数，re
y
是局部速度标量，y是网格中心到壁面的距离。
[0080]
式中k为湍动能，ε为湍流耗散率，ρ为密度，t为时间，x
i x
j
为笛卡尔坐标方向轴，u
i
为速度，μ为动力粘度，μ
t
为湍流粘度，g为湍动能的产生项，f1、f2、f
μ
为常数c1、c2、c
μ
的修正系数，σ
k
、σ
ε
为常数，d、e为修正项，其中，k、ε为求解标量，其余为中间变量。
[0081]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。